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Dokumentenidentifikation DE3921725C2 02.12.1999
Titel Dreiphasen-Elektromaschine
Anmelder Philips Electronics N.V., Eindhoven, NL
Erfinder Hout, Henricus Marinus van, Eindhoven, NL;
Janson, Jan, Eindhoven, NL;
Janssen, Johannes Hendrikus Hubertus, Eindhoven, NL;
Steen, Robertus Ignatius van, Eindhoven, NL
Vertreter Kupfermann, F., Dipl.-Ing., Pat.-Anw., 21224 Rosengarten
DE-Anmeldedatum 01.07.1989
DE-Aktenzeichen 3921725
Offenlegungstag 11.01.1990
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 02.12.1999
Veröffentlichungstag im Patentblatt 02.12.1999
IPC-Hauptklasse H02K 21/02
IPC-Nebenklasse H02K 29/00   H02K 21/16   

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf eine Dreiphasen-Elektromaschine, insbesondere einen bürstenlosen Gleichstrommotor.

Eine derartige Maschine ist aus der zur Einsicht ausgelegten niederländischen Patentanmeldung Nr. 8.401.519 (= EP 161 032 A1); bekannt. Eine Ausführungsform des bekannten Motors zeigt einen Ständer, der aus einem sternförmigen Blechpaket mit sechs sich radial erstreckenden Gliedern besteht, die in Ständerebenen münden, die in einer zylinderförmigen Ebene liegen. Um die Glieder sind Spulen vorgesehen. Der Läufer weist eine Achse auf, auf der ein scheibenförmiger Körper angeordnet ist, der in einen den Ständer umgebenden zylinderförmigen Teil übergeht, der auf der Innenseite mit einem ring- oder zylinderförmigen Magneten versehen ist. Der radial magnetisierte Magnet ist mit acht Polen versehen und arbeitet mit den Ständerzahnflächen zusammen. Eine andere Ausführungsform des bekannten Motors ist mit einem Ständer versehen, der ein sternförmiges Blechpaket mit sich radial erstreckenden Gliedern aufweist, wobei diese Glieder mit axialen Endflächen versehen sind, die als Ständerzahnflächen benutzt werden. Der Läufer dieser Ausführungsform ist mit einem scheibenförmigen Läuferträger versehen, auf dem ein ringförmiger Magnet angeordnet ist. Der Läufermagnet ist axial magnetisiert und arbeitet über einen axialen Luftspalt mit den Ständerzahnflächen zusammen. Das Verhältnis der Polzahl und der Anzahl Zahnflächen ist in dieser Ausführung, ebenso wie in der bereits beschriebenen Ausführungsform 4 : 3. Die aus einem Nordpol und einem Südpol bestehenden Polpaare des bekannten Gleichstrommotors erstrecken sich über je 360 elektrische Grade tangental. In diesem Zusammenhang sei bemerkt, daß es auch möglich ist, zwischen den aufeinander folgenden Polpaaren einen kleinen Zwischenraum vorzusehen, wodurch jeder Pol sich über weniger als 180 elektrische Grade tangental erstreckt. Ein derartiger Vorschlag ist übrigens auch in der deutschen Offenlegungsschrift DE 31 22 049 A1 beschrieben.

Ein Nachteil der bekannten Dreiphasen- Gleichstrommaschine ist, daß dabei erhebliche Klebemomente auftreten können. Ein Klebemoment entsteht dadurch, daß die gesamte magnetische Energie schwankt, wenn das Muster der zwischen den Zahnflächen vorhandenen Schlitze und das Muster der vorhandenen Nord- und Südpole sich gegenüber einander verschieben. Es sei als bekannt vorausgesetzt, daß, falls der Läufer und der Ständer der Gleichstrommaschine völlig symmetrisch sind, die Klebemomentfrequenzen, ausgedrückt in der Anzahl Perioden je Umdrehung, dem kleinsten gemeinschaftlichen Vielfachen der Pole und der Zähne und Vielfachen davon entsprechen. Die dem kleinsten gemeinschaftlichen Vielfachen zugeordnete Frequenz wird als Grundfrequenz bezeichnet; die den Vielfachen desselben zugeordneten Frequenzen werden als Harmonische bezeichnet. In Anwendungsbereichen, in denen an den Gleichlauf des Läufers hohe Anforderungen gestellt werden, wie beispielsweise in Audio- und Video-Geräten, sind Klebemomente unerwünscht. Es hat sich herausgestellt, daß namentlich die Grundfrequenz den größten Einfluß auf Geschwindigkeitsschwankungen hat und deswegen am meisten stört.

Eine bekannte Art und Weise, Klebemomente zu vermeiden, ist, die zwischen den Polen vorhandenen Poltrennelemente abgeschrägt verlaufen zu lassen. Ein Nachteil dieser Maßnahme ist, daß ein gewisser Magnetflußverlust auftritt und folglich eine Wirkungsgradverringerung. Außerdem können durch die auf diese Weise gebildeten Poltrennelemente in bestimmten Motorkonstruktionen Kräfte in unerwünschten Richtungen auftreten, wodurch beispielsweise Lärm entstehen kann. Auch ist es bekannt, in Kombination mit der genannten Abschrägung der Poltrennelemente enge Schlitze zu gestalten, damit auf diese Weise der Einfluß des Klebemomentes weiter verringert wird. Enge Schlitze bilden aber einen wesentlichen Nachteil bei der Herstellung des Motors, namentlich in bezug auf das Anordnen von Spulen.

Die JP 55-34802 A zeigt einen bürstenlosen Gleichstrommotor mit einem Pol-/Zahnverhältnis von 2 : 3. Der Rotor dieses bekannten Gleichstrommotors weist einen zylindrischen Permanentmagneten auf. Dieser zylindrische Permanentmagnet ist zur Drehmomenterhöhung von einem dünnen magnetischen Körper umschlossen.

Die Erfindung hat zur Aufgabe, eine Dreiphasen-Elektromaschine zu schaffen, bei der die Grundfrequenz des Klebemomentes völlig oder nahezu völlig ausgeschaltet ist, ohne daß dazu Poltrennelemente in dem Dauermagnetkörper schräg vorgesehen werden müssen.

Eine erste Ausführungsform der Erfindung weist die Merkmale des Anspruchs 1 auf.

Eine zweite Ausführungsform der Erfindung weist die Merkmale des Anspruchs 2 auf.

Empirisch wurde festgestellt, daß bei einer bestimmten, innerhalb der oben genannten Grenzen liegenden Schlitzgröße die Grundfrequenz des Klebemomentes minimalisiert werden kann. Die gefundenen Grenzen entsprechen in der Umfangsrichtung des Motors gesehen relativ breiten Schlitzen. Es wurde gemessen, daß im Gegensatz zu dem Erwarteten die Grundfrequenz der induzierten Spannung in den Spulen von der Grundfrequenz der induzierten Spannung in den Spulen der bekannten Gleichstrommotoren, bei denen die Schlitzbreite wesentlich kleiner ist, kaum abweicht.

Gleichstrommotoren mit einem weiten Anwendungsbereich, insbesondere Motoren geringerer Abmessungen, sind mit 4, 8 oder 12 Polen und mit 3, 6 bzw. 9 Zähnen oder mit 2 oder 6 Polen und 3 bzw. 9 Zähnen versehen. Es wurde festgestellt, daß für derartige Gleichstrommotoren optimale Ergebnisse in bezug auf das Unterdrücken des Klebemomentes erreicht werden, wenn die elektrische Maschine das Kennzeichen aufweist, daß die Schlitze sich in der Nähe des Luftspaltes über wenigstens nahezu 88 elektrische Grade tangental erstrecken oder daß die Schlitze sich in der Nähe des Luftspaltes über wenigstens nahezu 145 elektrische Grade erstrecken, wobei je nach der Ausführungsform des Motors eine Streuung der genannten Werte von etwa 1 bis 2 elektrischen Graden auftreten kann. Aus Leistungsgesichtspunkten wird eine derartige Ausführungsform nach der Erfindung vorzugsweise mit Polpaaren versehen sein, die sich über je 360 elektrische Grade tangental erstrecken.

Es sei bemerkt, daß aus EP 022 30 93 A1 ein bürstenloser Einphasen-Gleichstrommotor bekannt ist, der mit einem Läufermagneten mit sechs Läuferpolen und mit einem damit zusammenarbeitenden Ständer mit vier Ständerpolen versehen ist, wobei jeder der Pole einen "Öffnungswinkel" von 60° hat. Weiterhin sei bemerkt, daß aus der DE-OS 22 08 854 ein Zweiphasen-Synchronmotor bekannt ist, der mit zehn Läuferpolen und acht Ständerzähnen versehen ist und der als Schrittmotot Schritte von 18° durchführen kann. Obschon die beiden aus den obengenannten Veröffentlichungen bekannten Motoren Klebemomentprobleme aufweisen, ist die Klebemomentproblematik derartiger Motoren wesentlich anders als die der Dreiphasen-Gleichstrommotoren, auf welche die Erfindung sich bezieht.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in de Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt gemäss der Linie I-I nach Fig. 2 durch eine erste Ausführungsform der erfindungsgemässen elektrischen Maschine,

Fig. 2 einen Schnitt gemäss der Linie II-II nach Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform,

Fig. 4 einen Längsschnitt gemäss der Linie IV-IV aus Fig. 5 einer dritten Ausführungsform,

Fig. 5 einen Schnitt gemäss der Linie V-V nach Fig. 4,

Fig. 6 einen Schnitt durch eine vierte Ausführungsform,

Fig. 7 eine graphische Darstellung des Klebemomentes als Funktion der Läuferstellung der Ausführungsform nach Fig. 1, sowie eines bekannten Gleichstrommotors gleicher Abmessungen mit 9 Zähnen und 12 Polen und

Fig. 8 einen Schnitt durch eine Fünfte Ausführungsform.

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Ausführungsform weist einen als Läufer ausgebildeten Maschinenteil 1, weiterhin als Läufer 1 bezeichnet, und einen als Ständer wirksamen zweiten Maschinenteil 3 auf, weiterhin als Ständer 3 bezeichnet. Der Läufer 1, der mittels eines Kupplungsteils 2 an einer in dem Ständer 3 gelagerten Motorwelle 5 befestigt ist, ist mit einem weichmagnetischen Körper, beispielsweise aus Eisenblech versehen, der aus einem scheibenförmigen Teil 7 und einem zylinderförmigen Teil 9 besteht, der gegenüber der Motorwelle 5 koaxial angeordnet ist. Auf der Innenseite des zylinderförmigen Teils 9 ist ein ringförmiger Dauermagnetkörper 11 befestigt. Es sei dabei bemerkt, daß mit dem Wort ringförmig auch der Ausdruck zylinderförmig gemeint wird. Der Magnetkörper 11 ist radial magnetisiert und mit 12 Polen 13 bis einschließlich 24 versehen, die wechselweise entgegengesetzter Polarität sind. Die Pole sind in der Zeichnung durch die Buchstaben N (Nordpol) und S (Südpol) bezeichnet. Der Körper 11, der als Ring aus nur einem Teil, beispielsweise aus einem kunststoffgebundenen Ferrit, ausgebildet sein kann, ist mit scharfen Poltrennelementen ausgebildet, damit die Pole sich über je 180 elektrische Grade in der Umfangsrichtung erstrecken. Die Poltrennelemente erstrecken sich parallel zu der Motorwelle 5.

Der Ständer 3 weist einen lamellierten weichmagnetischen Körper 25, ein sog. Bleckpaket auf, das auf einem zentralen Ständerteil 26 befestigt und mit 9 Ständerzähnen, kurz als Zähne bezeichnet, 27 bis einschließlich 35 versehen ist, um die Spulen 37 bis einschließlich 45 gewickelt sind. Die sich radial erstreckenden Zähne 27 bis einschließlich 35 enden in Flächen 47 bis einschließlich 55, die in einer gegenüber der Motorwelle koaxialen Zylinderebene liegen, die durch Schlitze 57 bis einschliesslich 65 räumlich voneinander getrennt sind und die über einen schmalen zylindrischen Luftspalt 67 im Betrieb mit den Polen 13 bis einschließlich 24 zusammenarbeiten. In diesem Beispiel erstrecken sich die genannten Schlitze zwischen den Zahnflächen um 88 elektrische Grade tangental, was einem Mittelpunktswinkel A von 88/6 mechanischen Graden entspricht.

Die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform entspricht baumäßig der bereits beschriebenen Ausführungsform, weist aber größere tangentale Schlitzabmessungen auf. Da die beiden Ausführungsformen einander sehr ähnlich sind, sind für entsprechende Teile der beiden Ausführungsformen gleiche Bezugszeichen angegeben. Die Schlitze 57 bis einschließlich 65 haben in der Ausführungsform nach Fig. 3 eine Breite, gemessen zwischen den Zahnflächen 47 bis einschließlich 55 und in der Nähe des Luftspaltes 67, die bezogen ist auf 145 elektrische Grade.

Überraschenderweise hat es sich herausgestellt, daß die obenstehend beschriebenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Gleichstrommotors durch die Grundfrequenz des Klebemomentes kaum belästigt werden, während die Oberfläche der Zahnflächen 47 bis einschließlich 55 dennoch gross genug ist, um den aus dem Magnetkörper 11 herrührenden Magnetfluss noch effektiv einfangen zu können, wodurch der Gleichstrommotor nicht nur eine weitgehend konstante Drehgeschwindigkeit, sondern auch einen hohen Wirkungsgrad aufweist.

Zur Erläuterung des Unterschiedes zwischen dem Klebemoment der beschriebenen ersten Ausführungsform und dem Klebemoment eines entsprechenden bekannten Gleichstrommotors ist in Fig. 7 ein Diagramm dargestellt, in dem die gemessenen Werte der beiden Motoren aufgetragen sind. Längs der horizontalen Achse des Diagramms ist der Drehungswinkel α des Läufers aufgetragen und längs der vertikalen Achse ist die Grösse der gemessenen Klebemomente aufgetragen, wobei für die beiden Messungen selbstverständlich derselbe Maßstab gewählt wurde. Mit dem Buchstaben I ist die Kennlinie des Klebemomentes des erfindungsgemäßen Gleichstrommotors und mit dem Buchstaben P die Kennlinie des Klebemomentes des bekannten Gleichstrommotors für eine halbe Umdrehung des Läufers bezeichnet. Wie dem Diagramm zu entnehmen ist, ist die Amplitude des Klebemomentes des erfindungsgemäßen Gleichstrommotors viel kleiner und folglich günstiger als die Amplitude des Klebemomentes des bekannten Motors. Auch läßt sich dem Diagramm entnehmen, daß die Klebemomentfrequenz des erfindungsgemäßen Motors dem doppelten Wert der Frequenz des Klebemomentes des bekannten Motors wenigstens nahezu entspricht, was bedeutet, daß die Grundfrequenz des Klebemomentes des erfindungsgemäßen Motors nahezu völlig erloschen ist.

Die in den Fig. 4 und 5 dargestellte dritte Ausführungsform entspricht in der Wirkungsweise und was die erzielten günstigen Effekte anbelangt im Grunde den bereits beschriebenen Ausführungsformen. Nur in bezug auf den Motoraufbau gibt es Unterschiede. Die in den Fig. 4 und 5 dargestellte Ausführungsform weist einen Läufer 101 mit einer in einem Ständer 103 mit Hilfe von Lagern 102a und 102b drehbar gelagerten Motorwelle 105, und einen scheibenförmigen Teil 107 auf, auf dem ein ringförmiger, axial magnetisierter Magnetkörper 111 befestigt ist. Der Magnetkörper 111 ist mit 6 Nordpolen (N) 113 bis einschließlich 118 und 6 Südpolen (S) 119 bis einschließlich 124 versehen. Der Ständer 103 weist einen sternförmigen weichmagnetischen Körper 125 auf, der mit 9 Zähnen 127 bis einschließlich 135 sowie mit 9 um die Zähne angeordneten Spulen 137 bis einschließlich 145 versehen ist. Die Zähne sind an der dem Magnetkörper 111 zugewandten Seite mit in einer Ebene liegenden Zahnflächen 147 bis einschließlich 155 versehen, und zwar zum über einen schmalen axialen Luftspalt 167 in Zusammenarbeit mit den Polen 113 bis einschließlich 124. Zwischen den Zahnflächen 147 bis einschließlich 155 befinden sich Schlitze 157 bis einschließlich 165, die in tangentaler Richtung gesehen eine Abmessung W aufweisen, die 87 elektrischen Graden entspricht.

Die in Fig. 6 dargestellte vierte Ausführungsform weicht von der vorhergehenden Ausführungsform nur darin ab, daß die Zahnflächen 147 bis einschließlich 155 schmäler ausgebildet sind. Die Schlitze 157 bis einschließlich 165 zwischen den Zahnflächen 147 bis einschließlich 155 erstrecken sich tangental über 145 elektrische Grade.

In Fig. 8 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine dargestellt, die einen Ständer 201 mit neun Ständerzähnen 203 und einen Läufer 205 mit sechs magnetischen Polen 207 aufweist. Die Zähne 203 weisen je eine Zahnfläche 209 auf, die sich tangentiell über 11,3 mechanische Grade erstreckt. Zwischen den Zahnflächen 209 befinden sich Schlitze 211, die sich tangentiell über 86 elektrische Grade erstrecken.

Alle dargestellten Ausführungsformen lassen sich zu einem günstigen Gestehungspreis herstellen, weisen eine lange Lebensdauer auf und ergeben einen hohen Wirkungsgrad mit einer weitgehend konstanten Drehgeschwindigkeit.

Obschon Dreiphasen-Ausführungsformen mit 9 Ständerzähnen und 12 Läuferpolen dargestellt sind, beschränkt sich die Erfindung nicht auf diese Anzahlen. Auch andere Kombinationen von Zähnen und Polen, wobei die Anzahl Pole sich zu der Anzahl Zähne verhält wie 4 : 3 oder 2 : 3, sind möglich. Weiterhin sei bemerkt, daß es im Rahmen der Erfindung durchaus möglich ist, die Zähne auf dem Läufer und die Pole auf dem Ständer vorzusehen.


Anspruch[de]
  1. 1. Dreiphasige elektrische Maschine, insbesondere ein bürstenloser Gleichstrommotor, mit
    1. 1. einem ersten Maschinenteil, der einen ringförmigen Dauermagnetkörper mit in Umfangsrichtung nebeneinander angeordneten Polpaaren mit jeweils einem Nordpol und einem Südpol aufweist,
    2. 2. einem zweiten Maschinenteil, der einen runden weichmagnetischen Körper aufweist, wobei in diesem Körper durch radiale Schlitze Zähne gebildet sind, die im Umfangsbereich jeweils mit einer Zahnfläche gleicher Umfangslänge versehen sind, die dem Dauermagnetkörper des ersten Maschinenteils unter Bildung eines Luftspaltes gegenübersteht, und wobei um die Zähne herum eine dreiphasige Wicklung angebracht ist,
    3. 3. mit einer Maschinenachse, um die die beiden Maschinenteile gegeneinander drehbar sind,
    wobei die Anzahl der Pole des ersten Maschinenteils sich zu der Anzahl der Zähne des zweiten Maschinenteils wie 4 : 3 oder 2 : 3 verhält und sich die Schlitze am Umfang des Luftspaltes über mindestens 80 elektrische Grade und höchstens 90 elektrische Grade erstrecken.
  2. 2. Dreiphasige elektrische Maschine, insbesondere ein bürstenloser Gleichstrommotor, mit
    1. 1. einem ersten Maschinenteil, der einen ringförmigen Dauermagnetkörper mit in Umfangsrichtung nebeneinander angeordneten Polpaaren mit jeweils einem Nordpol und einem Südpol aufweist,
    2. 2. einem zweiten Maschinenteil, der einen runden weichmagnetischen Körper aufweist, wobei in diesem Körper durch radiale Schütze Zähne gebildet sind, die im Umfangsbereich jeweils mit einer Zahnfläche gleicher Umfangslänge versehen sind, die dem Dauermagnetkörper des ersten Maschinenteils unter Bildung eines Luftspaltes gegenübersteht, und wobei um die Zähne herum eine dreiphasige Wicklung angebracht ist,
    3. 3. mit einer Maschinenachse, um die die beiden Maschinenteile gegeneinander drehbar sind,
    wobei die Anzahl der Pole des ersten Maschinenteils sich zu der Anzahl der Zähne des zweiten Maschinenteils wie 4 : 3 oder 2 : 3 verhält und sich die Schlitze am Umfang des Luftspaltes über mindestens 130 elektrische Grade und höchstens 150 elektrische Grade erstrecken.
  3. 3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Schlitze am Umfang des Luftspaltes über mindestens 86 elektrische Grade und höchstens 90 elektrische Grade erstrecken.
  4. 4. Elektrische Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Schlitze am Umfang des Luftspaltes über mindestens 143 elektrische Grade und höchstens 147 elektrische Grade erstrecken.






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